KR20230062564A - 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 개선된 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

진동하는 작동 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 장치가 개시되며, 이 장치는 진동하는 작동 유체를 위한 유동 통로(40), 에너지 전환 유닛(44) 및 유동 제어 장치(38)를 포함하고, 에너지 전환 유닛(44)과 유동 제어 장치(38) 각각은, 적어도 부분적으로, 유동 통로(40)와 유체 연통하며, 사용시에 유동 제어 장치(38)는, 이 유동 제어 장치(38)가 개방되어 진동하는 작동 유체의 유동이 그를 통해 유동 통로에서 나갈 수 있게 해주는 제 1 구성과, 진동하는 작동 유체가 에너지 전환 유닛(44)을 통해 유동 통로에 들어가도록 유동 제어 장치(38)가 그를 통과하는 작동 유체의 유동을 제한하도록 배치되는 제 2 구성 사이에서 선택적으로 작동 가능하다.

Description

유체로부터 에너지를 추출하기 위한 개선된 장치 및 방법

본 개시는 일반적으로 에너지 생성에 관한 것으로, 구체적으로, 하지만 비배타적으로, 해양 파도 에너지 추출 시스템을 사용하는 에너지 생성에 관한 것이다. 본 개시는 장치의 설계 및 그러한 장치로부터의 에너지 포획을 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다.

많은 유형의 파력 발전 시스템이 당업계에 제안되었다. 이러한 시스템은 발전기를 구동하여 전기를 생산하기 위해 터빈의 회전 운동을 일으키기 위해 파도의 운동을 사용하는 원리를 기반으로 한다. 알려져 있는 파력 발전 시스템은 터빈에 연결된 진동 수주(oscillating water column; OWC)를 포함하기 위해 하나 이상의 유체 유동 덕트를 사용한다. 이러한 시스템에서는 파도의 내향 및 외향 유동으로 인해 발생하는 OWC에서 파도의 진동적인 운동의 결과로 덕트 내 공기의 변위로 인해 역 공기 유동 조건이 빈번히 존재하게 된다. 이러한 터빈은 종종 구성이 복잡하고 제조 비용이 비싸며 가혹한 환경 조건(염수, 크거나 예측할 수 없는 힘을 가져오는 높은 또는 거친 바다)을 장기간 견딜 수 없다는 단점이 있다. 이러한 이전 시스템의 대부분은, 양방향 터빈에서 OWC의 운동을 기계적 회전 에너지로 전환시킬 때 손실로 인해 낮은 효율로 작동한다.

효율적인 방식으로 OWC로부터 에너지를 포획할 수 있고 그러한 작업을 수행하는 비용을 낮출 수 있는 개선된 시스템 설계가 필요하다.

제 1 양태에서, 진동하는 작동 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 장치에 대한 실시 형태가 개시되며, 그 장치는 작동 유체를 위한 유동 통로, 터빈 및 유동 제어 장치를 포함하고, 터빈과 유동 제어 장치 각각은 유동 통로와 직접 유체 연통하며, 사용시에 유동 제어 장치는, 이 유동 제어 장치가 개방되어 작동 유체의 유동이 그를 통해 유동 통로에서 나갈 수 있게 해주는 제 1 구성과, 작동 유체가 터빈을 통해 유동 통로에 들어가도록 유동 제어 장치가 그를 통과하는 작동 유체의 유동을 제한하는 제 2 구성 사이에서 선택적으로 움직일 수 있다.

특정 실시 형태에서, 유동 제어 장치는 진동하는 작동 유체의 압력 및/또는 유동 방향의 변화에 반응하여 유동 통로에 대한 접근의 구성을 변경한다.

특정 실시 형태에서, 유동 제어 장치는 제 2 구성에서 터빈을 통해서만 작동 유체의 유동을 용이하게 하도록 완전히 폐쇄될 수 있다.

특정 실시 형태에서, 유동 제어 장치는 제 1 구성과 제 2 구성 사이에서의 운동으로 수동적으로 작동한다. 이의 한 형태에서, 유동 제어 장치는 작동 유체의 유동에 대해 개방되고 폐쇄되도록 움직일 수 있는 요소를 갖는다. 이의 특정 형태에서, 그 요소는 힌지식으로 움직일 수 있고, 유동 제어 장치의 단면 개구 통로를 덮는 형상으로 되어 있다.

특정 실시 형태에서, 유동 제어 장치는 변형 가능한 엘라스토머 재료로 만들어진다.

특정 실시 형태에서, 터빈은, 중심 허브 및 이 허브의 주변부 주위에 배치되고 그로부터 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 회전자를 포함하고, 회전자는 유동 통로에 연결되는 하우징 내에 배치되며, 그리하여, 블레이드의 형상 및 허브에 대한 그 블레이드의 배향은, 하우징을 통과하는 작동 유체의 일방향 축방향 유동에 반응하는 터빈 회전자의 일방향 회전을 용이하게 한다. 이의 한 형태에서, 전기 발전기는 전기 에너지를 생성하기 위해 터빈에 의해 회전되도록 구성된다. 한 특정 실시 형태에서, 구동축이 그의 근위 단부에서 허브에 연결되고 원위 단부에서는 발전기에 연결된다.

특정 실시 형태에서, 작동 유체는 공기이고, 공기의 유동은, 유동 통로와 유체 연통하고 덕트 내에 위치되는 진동 수주의 진동에 의해 생성된다.

특정 실시 형태에서, 덕트는 (a) 사용시에 그 덕트가 위치되는 수역의 평균 표면 레벨(MSL)의 실질적으로 아래쪽에 잠수되도록 배치되고, 수역으로부터 유입 파도를 수용하도록 배치되는 개구를 갖는 제 1 부분, 및 (b) 제 1 부분에 달려 있고, 사용시에 MSL 위쪽으로 연장되도록 배치되며, 유입 파도가 제 1 부분을 통해 흐른 후에 그 유입 파도로부터 물을 수용하기 위한 제 2 부분을 포함하며, 유동 통로는, 유입 파도가 제 1 부분을 통해 흐른 후에 그 유입 파도로부터 수용된 물의 최대 레벨 위쪽으로 연장되는 제 2 부분의 일부 영역에 의해 규정된다.

이의 한 형태에서, 덕트의 제 1 및 제 2 부분은 제 1 및 제 2 부분의 중간에 있는 유동 방향 제어 세그먼트를 통해 연결되고, 그 유동 방향 제어 세그먼트는, 제 1 부분과 제 2 부분의 이음부에 배치되고 그 사이에서 연장되는 평평한 경사 부분에 의해 규정된다.

한 특정 실시 형태에서, 덕트의 제 1 및 제 2 부분은 일반적으로 기다란 도관이여, 제 1 부분은 제 2 부분의 단면적보다 큰 단면적을 갖다. 이의 한 형태에서, 제 1 부분의 개구에서의 단면적은 제 1 부분의 나머지보다 더 큰 단면적이며, 도관의 단면적은 개구에 있는 외측 진입 입구부 영역으로부터 상기 제 2 부분 쪽으로 향하는 방향으로 이동할 때 점점 감소되며, 그래서 수역으로부터 덕트 안으로 들어가는 유입 파도의 유동이 가속된다. 한 특정 실시 형태에서, 제 1 부분의 외측 진입 입구부 영역은 사용시에 그 제 1 부분이 위치되는 수역의 MSL의 위쪽으로 연장되도록 배치되며, 그래서 수역으로부터 덕트 안으로 들어가는 유입 파도의 더 많은 유동을 포획하게 된다.

특정 실시 형태에서, 덕트는 이 덕트가 배치되는 수역의 바닥 상에 안착되도록 작동 가능하다.

제 2 양태에서, 파도 에너지 추출 시스템의 실시 형태가 개시되며, 이 시스템은,

(a) 진동 수주를 수용하기 위한 적어도 하나의 덕트 - 이 덕트는 (ⅰ) 사용시에 그 덕트가 위치되는 수역의 평균 표면 레벨(MSL)의 실질적으로 아래쪽에 잠수되도록 배치되고, 수역으로부터 유입 파도를 수용하도록 배치되는 개구를 갖는 제 1 부분, 및 (ⅱ) 제 1 부분에 달려 있고, 사용시에 MSL 위쪽으로 연장되도록 배치되며, 유입 파도가 제 1 부분을 통해 흐른 후에 그 유입 파도로부터 물을 수용하기 위한 제 2 부분을 포함하며, 따라서, 사용시에, 물이 덕트 안으로 들어가고 그로부터 나가는 반복된 운동의 결과로 진동 수주가 덕트 내부에 형성되고, 덕트로부터 나가는 물의 유동은 유입 파도의 방향에 반대인 방향으로 개구를 통해 일어남 -;

(b) 덕트의 제 2 부분 내에 위치되는 유동 통로와 직접 유체 연통하는 회전 가능한 공기 터빈; 및

(c) 유동 통로와 직접 유체 연통하는 적어도 하나의 유동 제어 장치를 포함하고,

유동 제어 장치는 사용시에, 유동 제어 장치가 개방되어, 진동 수주가 덕트의 제 2 부분 안으로 수용될 때 변위된 공기의 유동이 유동 통로에서 나갈 수 있게 해주는 제 1 구성과, 장치가 제 2 부분 안으로 유입하는 공기를 제한하는 제 2 구성 사이에서 움직이도록 배치되며, 그래서, 진동 수주가 반대 방향으로 덕트 밖으로 흐를 때, 공기의 유동이 회전 가능한 공기 터빈을 통해 다시 유동 통로 안으로 끌려 들어가게 된다.

특정 실시 형태에서, 유동 제어 장치는, 진동하는 작동 유체의 압력 및/또는 유동 방향의 변화에 반응하여 제 2 부분에 대한 접근의 구성을 변경한다.

특정 실시예에서, 본 시스템은 전기 에너지를 생성하기 위해 터빈에 의해 회전되도록 구성된 발전기를 더 포함한다. 이의 한 형태에서, 터빈은, 중심 허브 및 이 허브의 주변부 주위에 배치되고 그로부터 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 회전자를 포함하고, 회전자는 제 2 부분에 연결된 유동 통로 내에 배치되며, 그리하여, 블레이드의 형상 및 허브에 대한 그 블레이드의 배향은 유동 통로를 통해 제2 부분 안으로 들어가는 축방향 공기 유동에 반응하는 터빈 회전자의 일방향 회전을 용이하게 한다. 이의 한 특정 형태에서, 구동축이 그의 근위 단부에서 허브에 연결되고 원위 단부에서는 발전기에 연결된다.

특정 실시 형태에서, 사용 중인 진동 수주의 진동수는, 제 1 구성과 제 2 구성 사이에서 유동 제어 장치(들) 중 하나 이상의 선택적인 운동에 의해, MSL 위쪽으로 연장되는 제 2 부분의 표면적의 비율로서 유동 제어 장치(들)의 단면적을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 이의 한 형태에서, MSL 위쪽으로 연장되는 제 2 부분의 표면적의 비율로서 유동 제어 장치(들)의 단면적은 15% 미만이 되도록 배치된다. 이의 특정한 형태에서, 그 비율은 10% 미만이 되도록 배치된다.

특정 실시 형태에서, 제 2 양태의 시스템은 제 1 양태에서 규정된 바와 같은 장치를 포함한다.

제 3 양태에서, 진동 수주를 수용하기 위한 덕트의 실시예가 개시되며, 이 덕트는 (a) 사용시에 그 덕트가 위치되는 수역의 평균 표면 레벨(MSL)의 실질적으로 아래쪽에 잠수되도록 배치되고, 수역으로부터 유입 파도를 수용하도록 배치되는 개구를 갖는 제 1 부분, 및 (b) 제 1 부분에 달려 있고, 사용시에 MSL 위쪽으로 연장되도록 배치되며, 유입 파도가 제 1 부분을 통해 흐른 후에 그 유입 파도로부터 물을 수용하기 위한 제 2 부분을 포함하며, 제 1 부분의 개구에 있는 진입 입구부는 사용시에 그 제 1 부분이 위치되는 수역의 MSL의 위쪽으로 부분적으로 연장되도록 배치되며, 그래서 수역으로부터 덕트 안으로 들어가는 유입 파도의 더 많은 유동을 포획하게 된다.

특정 실시 형태에서, 제 1 부분은 개구에서 제 1 부분의 나머지보다 더 큰 단면적을 가지며, 도관의 단면적은 개구에 있는 진입 입구부로부터 제 2 부분 쪽으로 향하는 방향으로 이동할 때 점점 감소되며, 그래서 수역으로부터 덕트 안으로 들어가는 유입 파도의 유동이 가속된다. 이의 한 형태에서, 사용시에 제 1 부분의 진입 입구부의 최상측 및 최외측 영역은 부분적으로 수역의 MSL 위쪽으로 연장되도록 배치된다. 한 특정 형태에서, 제 1 부분의 최상측 표면은 개구에 있는 진입 입구부로부터 재 2 부분을 향하는 방향으로 이동할 때 아래쪽으로 경사진다.

특정 실시예에서, 제 4 양태의 덕트는 그 외에는 제 1 양태에서 규정된 바와 같다.

제 4 양태에서, 진동하는 작동 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 장치의 실시 형태가 개시되며, 이 장치는, 작동 유체를 위한 유동 통로를 규정하는 하우징; 이 하우징에 배치되고 사용시에 그 유동 통로 내의 작동 유체와 유체 연통하는 에너지 전환 유닛; 및 작동 유체가 에너지 전환 유닛에 작용하는 활성 구성과 작동 유체가 에너지 전환 유닛을 우회하는 우회 구성 사이에서 유동 통로의 구성을 선택적으로 변경하기 위해 사용시에 유동 통로와 유체 연통하는 유동 제어 수단을 포함한다.

특정 실시예에서, 사용시에 유동 제어 수단 및 에너지 전환 유닛은, 작동 유체의 유동이 유동 제어 수단을 통해 유동 통로에서 나가고 또한 작동 유체의 유동이 에너지 전환 유닛을 통해 유동 통로에 들어가도록 순차적으로 작동하도록 구성된다.

특정 실시 형태에서, 하우징은 바다에 인접하여 위치된 진동 수주를 포함하도록 배치되고, 에너지 전환 유닛에 작용하는 작동 유체의 방향은 통과하는 파도의 하강과 관련되어 있다.

특정 실시 형태에서, 에너지 전환 유닛은 터빈 회전자를 포함한다.

특정 실시 형태에서, 제 5 양태의 장치는 그 외에는 제 1 양태에서 규정된 바와 같다.

제 5 양태에서, 진동하는 작동 유체로부터 에너지를 추출하는 방법의 실시 형태가 개시되며, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다:

(i) 파도가 있는 수역에 적어도 부분적으로 하우징을 위치시키는 단계 - 그 하우징은 진동하는 작동 유체를 수용하기 위한 유동 통로를 규정함 -;

(ii) 진동하는 작동 유체와 유체 연통하도록 에너지 전환 유닛을 배치하는 단계; 및

(iii) 작동 유체가 미리 결정된 제 1 방향으로 흐를 때 에너지 전환 유닛에 작용하도록 하는 활성 구성과, 작동 유체가 제 2 방향으로 흐를 때 에너지 전환 유닛을 우회하는 우회 구성 사이에서 유동 통로의 구성을 선택적으로 변경하기 위한 유동 제어 수단을 제공하는 단계.

제 6 양태에서, 진동하는 파도 칼럼 에너지 포획 장치를 수역에서 근해 위치에 위치시키기 위한 방법의 실시 형태가 개시되며, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다:

(i) 사용시에 장치의 내부 챔버 안으로 물이 들어가는 것을 방지하는 폐쇄체를 배치하고, 부양 보조 장치로서 적어도 하나의 부력 탱크를 장치 자체에 장착하는 단계;

(ii) 장치가 수역에서 뜨게 하는 단계;

(iii) 장치를 수역 내의 미리 결정된 위치로 이동시키는 단계;

(iv) 폐쇄체를 제거하여 장치로부터 분리시키는 단계; 및

(v) 장치가 그의 의도된 작동 사용을 위해 부분적으로 잠수되고 또한 미리 결정된 위치에서 수역의 바닥에 안착되도록 부양 탱크를 가득 채우는 단계.

특정 실시 형태에서, 에너지 포획 장치는 그 외에는 제 1 양태 또는 제 4 양태에서 규정된 바와 같다.

이 요약 및 명세서 전반에 걸쳐, 약어 MSL은 "평균 표면 레벨" 또는 "평균 해수 레벨"에 대해 사용되며, 특정 위치에서 어떤 수역에서의 평균 간조(low tide)와 평균 만조(high tide) 사이의 중간 지점으로 정의된다. 따라서 MSL은 특정 수역의 표면의 평균 레벨을 의미하고, 따라서 파도의 마루 또는 골의 변화를 측정할 수 있는 수직 깊이 기준점을 나타낸다.

본 개시의 양태, 특징 및 이점은, 본 개시의 일부분이고 개시된 발명의 원리를 예로서 도시하는 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

첨부된 도면은 설명될 다양한 실시 형태에 대한 이해를 용이하게 한다.
도 1 및 도 2는 본 개시의 제 1 실시 형태에 따른, 수역으로부터의 파도와 같은 진동하는 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 장치의 측단면도이다.
도 2는.
도 3은.
도 4는.
도 5는.
도 6은.
도 7은.
도 8은.
도 9는.
도 10은.
도 11은.
도 12는.
도 13은.

본 개시는 진동하는 작동 유체, 예컨대 사용 중인 장치에 반복적으로 들어가고 나가는 해양 파도로부터 에너지를 추출하기 위한 장치의 특징에 관한 것이다. 본 개시는 또한 유입하는 파도의 포획을 최대화하는 장치의 특징에 관한 것이다. 본 개시는 또한 생성된 에너지의 양을 최대화하기 위해 장치를 작동시키고 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 장치는 이 분야에서 알려진 기술보다 유체의 단위 유동당 더 큰 에너지의 생성을 가능하게 하는 설계를 갖는다.

도면을 참조하면, 도 1 및 2에 나타나 있는 장치는 2개의 아암 부분(12, 14)을 포함하는 내부 도관 또는 덕트(10)를 규정하는 하우징(15)을 포함하고, 각 아암 부분은, 일반적으로 단면이 직사각형이고 덕트(10)를 측면에서 볼 때 서로 직교하여 배치되고 일반적으로 L-형 구성으로 연결되는 기다란 도관을 포함한다(추가 실시 형태에서, 유사한 부분에는 본 설명에서 쉽게 참조할 수 있도록 유사한 부분 번호가 주어짐).

덕트(10)의 제 1 도관(12)은 사용시에 물(16)의 수역(body of water)(16)의 평균 표면 레벨(MSL) 아래에 실질적으로 잠기도록 배치되며, 예를 들어 그 도관은 바다 해안선에서 모래 및 암석 기반에 놓이도록 위치되며 또한 그의 기다란 축선이 해안선에 일반적으로 직교하도록, 그리고 어떤 실시 형태에서는 해저의 모래 및 암석 기반과 대략 수평으로 정렬되도록 배향된다. 사용시에, 덕트(10)는 진동하는 수주(OWC)를 수용할 구조물을 형성하고, 그 수주는 덕트가 잠겨 있는 수역(16)에서의 반복된 운동에 반응하여 발생된다.

제 1 도관(12)은 수역(16)으로부터 들어오는 파도를 수용하도록 배치된 직사각형 개방 입구부(20)를 가지며, 이 입구부(20)는 예를 들어 파도의 근원인 수역, 예컨대 해양, 바다 또는 호수 안으로 바깥쪽으로 배향된다. 점선 윤곽 단면으로 도 3에, 그리고 또한 예컨대 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 입구부(20)의 단면적은 제 1 도관(12)의 나머지 부분의 임의의 지점에서보다 면적이 더 큰데, 제 1 도관(12)은 개방 입구부(20)로부터 안쪽으로 덕트(10)의 제 1 도관(12)의 내부 안으로 그리고 제 2 도관(14) 안쪽으로 가는 방향으로 갈 때 단면적이 점점 감소하기 때문이다. 이 고체벽의 제 1 도관(12)의 일반적인 데이퍼링의 효과는, 진동 유동이 사용시에 생성될 때 명백하게 될 이유로, 유입하는 파도가 수역(16)으로부터 덕트(10) 안으로 들어가는 유동을 가속시키는 것이다.

일부 실시 형태에서, 제1 도관(12)의 상측 벽(22)은 부분적으로 아래쪽으로 경사질 수 있고, 사용시 모래 및 암석 기반 위에 놓이는 평평한 기부 바닥(24) 쪽으로 각져 있다. 수직 측벽(26)이 평평한 기부 바닥(24)과 제 1 도관의 상측 벽(22) 사이에서 연장되어, 제 1 도관(12)의 테이퍼형 영역이 나타나게 된다. 또 다른 실시 형태에서, 제 1 도관은, 평평한 기부 바닥(24) 및 그들 사이에 연장되는 수직 측벽(26)과 함께, 그의 전체 길이에 걸쳐 경사 상측 벽을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 제 1 도관은 상측 벽과 기부 바닥을 가지며, 이 둘 모두는, 개방 입구부(20)로부터 안쪽으로 덕트(10) 안으로 들어가는 방향으로 이동할 때 도관(12)의 길이의 일부에 걸쳐 서로의 쪽으로 내측으로 경사져 있다. 또 다른 실시 형태에서, 제 1 도관의 측벽은 또한 좁아지는 폭을 갖는 도관을 형성하기 위해 안쪽으로 테이퍼지도록 각져 있으며, 그래서 개방 입구부(20)로부터 내측으로 덕트 안으로 들어가는 방향으로 이동할 때 감소하는 단면적을 갖는다.

도 3에 나타나 있는 실시 형태에서, 제 1 도관(12)의 입구부(20)의 최외측 및 최상측 영역(28)은 사용시에 그것이 위치되는 수역(16)의 MSL 위쪽으로 연장되어 입구부(20)의 파도 관통 립(30)을 형성하도록 배치된다. 이러한 특징은, 특히 수역의 움직임이 거칠거나 고르지 않은 경우에, 그 수역(16)으로부터 덕트(10) 안으로 들어오는 파도의 더 큰 유동을 포획하고 전달하는 데 도움이 될 수 있다.

덕트(10)의 제 2 도관(14)은 사용시에 그것이 위치되는 수역(16)의 MSL의 실질적으로 위쪽으로 연장되도록 배치되며, 그의 기다란 축선이 제 1 도관(12)의 것에 일반적으로 수직이도록 배향된다. 제 2 도관(14)은 기다랗고, 제 1 도관(12)으로부터 연장되고, 유입 파도가 제 1 도관(12)을 통해 흐른 후 그 유입 파도로부터 물을 받도록 배치된다. 유입 파도가 제 1 도관(12)을 통과해 덕트(10)의 제 2 도관(14) 안으로 흐른 후에, 그런 다음에 제1 도관(12)을 지나 제 2 도관(14) 밖으로 자유롭게 역류하여 수역(16)으로 되돌아가 덕트(10)에서 진동하는 물 유동(또는 진동 수주(OWC))을 형성하며, 이는 수역(16)의 해안선에서 파도의 유입 및 유출 유동과 일치하도록 배치될 수 있다. 제 2 도관(14)은 유입 파도가 제 1 도관(12)을 통해 흐른 후 그 파도로부터 수용되는 물의 최대 레벨보다 높은 높이까지 연장된다. 물의 최대 레벨 보다 높게 위치되는 가스(일반적으로 공기)의 부피가 '작동 유체'가 되며, 이는, 곧 설명되는 바와 같이, 제 2 도관(14)의 최상측 영역 밖으로 변위된 다음 다시 그 안으로 끌려 들어가게 된다.

진동하는 물 유동을 돕기 위해, 도관(12, 14)이 결합되는 천이 표면에서 덕트(10) 내부의 치수는 동일하다. 제 1 도관(12) 및 제 2 도관(14)은 또한 두 도관(12, 14)의 이음부에 배치되는 평평한 경사부(34) 형태의 유동 방향 제어 세그먼트를 가지며, 이는 유입하는 물의 유동이 덕트(10) 내에서 수평 축방향 유동으로부터 수직 축방향 유동 배향으로 전환하고, 이어서 물이 반대 방향으로 진동할 때 수직 축방향 유동으로부터 수평 축방향 유동 배향으로 전환하고 덕트(10)로부터 외부로 다시 수역(16) 쪽으로 흐르는 것을 용이하게 해준다. 유체가 덕트(10) 안으로 진행함에 따라 제 1 도관(12)의 단면적이 더 좁아지면, 유체 속도는 증가할 것이며, 이에 의해, 덕트(10) 내에 형성된 유체 기둥이 더 빠르게 진동할 수 있다.

제 2 도관(14) 내부의 최상측 영역(36)(유입 파도로부터 물이 수용될 때 그 물의 최대 레벨 보다 높게 있음)은 변위 가능한 공기 부피를 포함하는 유동 통로(40)를 규정한다. 사용시, 그 공기의 부피는 측벽 개구(41)에 장착된 다수의 유동 제어 장치를 통해 최상측 영역(36)에서 나갈 수 있으며, 장치는 개방 가능한 플랩(38) 형태의 일방향 밸브로서 효과적으로 작동하며, 그 플랩은 개방 구성으로 움직이도록 배치되며, 그래서 공기가 그 플랩을 통과해 유동 통로(40) 밖으로 나갈 수 있다. 유동 통로(40)는 또한 중공의 사다리꼴 형상 회전자 하우징(54)에 회전 가능하게 장착된 일방향 터빈(44)과 유체 연통하며, 그 회전자 하우징은 제 2 도관(14)의 최상측 표면에 위치된다. 여기에 나타나 있는 실시 형태에서, 개방 가능한 플랩(38) 및 터빈(44)은 유동 통로(40)와 직접 유체 연통하는데, 이는, 대기로부터 유동 통로(40)에 출입하는 공기의 운동은 터빈(44) 또는 개방 가능한 플랩(38)에 도달하기 전에는 밸브 또는 다른 유동 제한기를 통과하지 않으며 그 반대도 마찬가지임을 의미한다. 다시 말해, 개방 가능한 플랩(38)과 터빈(44)은 서로 직렬로 배치되지 않고, 오히려 서로 평행한 작동 구성으로 배치되며, 제 2 도관(14)의 벽에 있는 개별적이고 이격된 접근 개구(41)에 위치되며, 이는 그 제 2 도관(14) 내부에서 유동 통로 챔버(40)에 직접 접근한다. 유동 통로(40)의 이러한 구성은, (공기와 같은) 작동 유체가 터빈에 일방향으로 작용할 수 있거나, 대안적으로 우회 구성으로 작동될 때(즉, 터빈을 우회할 때), 작동 유체는 일방향으로 흐르고 개구(41) 및 개방 가능한 플랩(38)을 통해 나가거나 배출될 수 있음을 의미한다. 유동 통로(40)의 최상측 단부에서, 이러한 변형 가능한 플랩(38)과 터빈(44)은, 후술하는 바와 같이, 제 2 도관(14) 안으로 위쪽으로 밀릴 때 바다, 호수 또는 다른 수역의 통상적인 작동 수위의 위쪽에 위치된다.

사용시 파도가 덕트(10) 쪽으로 이동함에 따라, 제 1 도관(12)의 좁아지는 단면적은 유입 파도를 덕트(10) 안으로 안내하는 역할을 한다. 파도는 화살표(42) 방향으로 덕트(10)를 통과하며, 최상측 영역(36)의 유동 통로(40)의 공기 중 일부는 덕트(10)에서 수직으로 상승하는 물에 의해 변위되고, 개방 가능한 플랩(38)의 형태로 존재하는 일방향 밸브 밖으로 흘러나가며, 그래서, 변위된 공기는 업스트로크 기간(즉, 파도가 덕트(10) 안으로 들어가는 기간) 동안 대기로 배출된다. 개방 가능한 플랩(38)의 목적은, 유동 통로(40)에서 업스트로크 기간 동안에 양압 축적을 최소화하는 것이다.

변형 가능한 플랩(38)은 공기의 움직임에 반응하여 수동적으로 움직이기에 적절한 중량 및 탄성을 가지도록 배치되며, 그래서 유동 통로(40)로부터의 양압 하의 공기 유동은 플랩을 개방하기에 충분하고, 또한 그에 연결된 유일한 다른 유체 유동 개구를 통해 유동 통로(40)를 떠날 수 있는 임의의 상당한 양의 공기의 잠재적인 대안이 아니라, 전적으로 OWC의 덕트(10) 밖으로 최소 저항의 경로를 제공하기에 충분하며, 이는 일방향 터빈(44)이 위치되는 회전자 하우징(54)이다.

일방향 플랩(38)은 유동 통로(40) 내의 압력 증가에 반응하여 수동적인 방식으로 반복적으로 충분히 쉽게 개방될 수 있도록 하는 구성 재료를 가질 뿐만 아니라, 염분-물 환경에서 매우 낮은 유지 보수 항목이다. 한 형태에서, 플랩(38)은 서로 인접하여 대면 정렬되도록 배치되는 한 쌍의 고무 또는 엘라스토머 시트를 포함하고, 평면 형상의 보강을 제공하여 접힘 또는 말림을 방지하고 또한 찢어짐 또는 천공에 대한 강도 저항을 제공하기 위해 2개의 정렬된 엘라스토머 시트 사이에 위치되는 얇은 금속 메쉬 층을 갖는다. 고무 시트와 메쉬의 어셈블리는 함께 변형 가능한 플랩(38)을 생성하고, 사용 중에 그 플랩은 사용시 최상측 측면 가장자리를 따라 제 2 도관(14)의 외부 벽에 체결되며, 플랩은 제 2 도관(14)의 외벽의 최상측 영역에 있는 개별적인 이격된 접근 개구(41) 중의 하나를 막기에 적절한 크기로 배치되며, 그 개구는 내부에 위치되는 유동 통로 챔버(40)에 직접 접근한다.

각 변형 가능한 플랩(38)은 부식성 환경을 견디기 위해 스테인리스강 너트 및 볼트(39) 또는 스크류 등을 사용하여 제 2 도관(14)의 외벽에 체결될 수 있다. 추가로, 각각의 플랩(38)에 의해 덮이는 각 접근 개구(41)에, 개구(41)의 높이 또는 폭을 가로질러 연장되도록 배치되는, 금속 또는 세라믹 등으로 만들어진 그릴, 메쉬 또는 일련의 바(bar) 형태로 장착되는 플랩 지지부가 있을 수 있으며, 이는 또한 사용시에 제 2 도관(14)의 외벽 표면(47)과 동일 면 내에 있게 안착되도록 배치된다. 예를 들어, 도 11a, 11b 및 12a에 나타나 있는 수직 금속 플레이트(45)는 개구(41)의 수평 폭에 걸쳐 서로 측방향으로 이격되어, 강성적인 지지 구조물을 제공하는 그릴을 형성하고, 그 구조물은 변형 가능한 플랩(38)이 개방 구성으로 움직일 때 공기의 통과를 자유롭게 허용하고, 변형 가능한 플랩(38)은, 폐쇄 구성(도 12a에 나타나 있는 바와 같은 "휴지(rest)" 위치)에 있을 때, 근접 대면 관계로 그에 대해 안착되며, 그래서 대기 공기가 개구(41)를 통해 유동 통로(40) 안으로 들어갈 수 없다.

파도가 유동 통로(40)의 안으로 이동함에 따라(파도 "업스트로크" 기간), 내부의 작동 유체(일반적으로 공기)는, 유동 통로(40)로부터 측벽 개구(41)를 통해 그리고 일방향의 변형 가능한 플랩(38)을 지나 대기 중으로 방출될 때까지 압축되고 그의 압력이 증가하며, 덕트(40)의 외벽으로부터 외측으로 변위되어 대기에 이르게 된다. 이러한 공기 배출 경로는 터빈(44)이 회전 가능하게 장착되는 회전자 하우징(54) 안으로의 벽 개구를 경유하여 유동 통로(40)로부터의 가스에 대한 다른 잠재적인 출구 경로를 우회한다.

그런 다음 파도가 입구부(20)를 통해 덕트(10) 밖으로 다시 이동하여 화살표(46)의 방향으로 수역(16) 쪽으로 갈 때(파도 "다운스트로크" 기간), 그 파도는 유입 파도의 방향(42)의 반대 방향으로 있다. 외측 방향(46)으로의 유동의 결과로서, 대기 공기가 유출수에 의해 생성된 흡입 압력에 의해 최상측 영역(36)의 유동 통로(40) 안으로 흡인된다. 변형 가능한 플랩(38)으로서의 일방향 밸브는 이제 완전 폐쇄 구성으로 있기 때문에(이 구성에서 플랩은 그릴, 메쉬 또는 바 쪽으로 끌려 그에 단단히 안착되며 그래서 대기 공기가 그를 통과할 수 없음), 흡입 압력에 반응하여 유동 통로(40) 안으로 끌려 들어온 공기의 유동은 일방향 터빈(44)을 통해서만 흡인될 수 있고, 따라서 이러한 공기 유동은 터빈(44)이 전기 에너지를 생성하도록 회전하게 한다.

작동시, 터빈(44)은 저마찰 또는 무마찰 베어링에서 연속적인 일방향 회전을 하도록 배치된다. 파도가 덕트(10)의 내부 유동 통로(40) 밖으로(즉, 업스트로크의 반대 방향으로) 이동함에 따라 저압(또는 부분 진공) 영역이 유동 통로(40)에 생성되면, 터빈은 파도의 다운스트로크시에 가속 회전 기간을 거치게 된다. 낮은 압력으로 인해 작동 유체(공기)의 유동이 그 안으로 끌려 들어가 압력 균등화를 달성한다. 그 공기 유동은 터빈(44)이 회전 가능하게 장착되는 터빈 하우징(54)을 통해서만 유동 통로(40)에 들어간다. 바깥쪽으로만 변위되거나 변형될 수 있는 변형 가능한 플랩(38)을 통해 내측으로 유동 통로(40) 안으로 들어가는 가능한 유동 경로는 없다. 유동 통로의 압력을 낮추어 흡입 하에 있을 때, 플랩(38)은 플랩(38)에 의해 덮이는 개구에서 지지 금속 바 또는 그릴에 끌려질 것이지만, 그의 (정사각형 또는 직사각형) 평면 형상의 강성 때문에, 변형 가능한 플랩(38)의 몸체는 유동 통로(40) 안으로 물러나지 않을 것이며, 또한 그때 대기 공기가 유동 통로(40)에 들어가는 것을 허용하지 않을 것이다. 도 11a 및 도 12a에 상세히 나타나 있는 바와 같이, 금속 바 또는 그릴을 지지하는 직사각형 금속 프레임은 제 2 도관(14)의 외벽에 있는 상보적인 크기의 직사각형 개구(41) 안으로 삽입된다. 프레임은, 이 프레임의 각 측면 테두리 주위에 연장되어 있고 측방에서 그 테두리에 달려 있는 전방 플랜지를 가지며, 그래서, 제위치에서 전방 플랜지는, 직사각형 개구의 테두리를 둘러싸는 외벽 표면에 평행하게 정렬되고 나란히 연장되며 또한 그 표면과 동일 면 내에 있게 된다. 플랜지는 전방 플랜지 및 제 2 도관(14)의 외벽 모두에 배치되는 정렬된 관통 구멍에 위치되는 일련의 스크류에 의해 그 외벽 표면에 장착된다.

압력이 중심 챔버에서 균등화되었을 때, 그 중심 챔버 안으로 흡인되는 공기의 운동 속도가 느려져 정지되는데, 이는 일방향 터빈(44)의 회전 속도가 또한 그의 관성 회전 속도(터빈이 저마찰 또는 무마찰 베어링에 장착될 때 얻어짐)에 도달할 때까지 느려지고 그 속도로 계속 회전하게 됨을 의미한다. 그런 다음에, 추가 파도가 덕트(10) 안으로 들어가는 다음 업스트로크시에, 동일한 사이클이 반복된다.

터빈(44)의 일방향 회전에 의해, 공기가 유동 통로(40)의 저압 영역 안으로 흐르도록 흡인되면서, 더 높은 회전 속도로 움직이든 또는 단순히 관성 회전 속도로 움직이든, 결국에는 다운스트로크의 끝에서 유동 통로 안으로 들어가는 공기의 약간 양의 유량(및 압력)이 생성될 것이다. 이는, 또한, 다음 업스트로크시에, 추가 파도가 덕트(10)의 내부 안으로 이동하고 그 내부의 작동 유체(공기)가 압축되기 시작할 때, 일정하게 회전하는 터빈(44)의 작동을 통해 유동 통로(40) 안으로 들어가는 공기의 정미(net) 유량은 유동 통로(40)로부터 터빈(44) 또는 터빈 하우징(54)을 경유해 대기로 나가는 압축 공기의 가능한 방출에 대해 역류로 작동할 것이다. 따라서, 유동 통로(40)로부터의 압축 공기는 터빈 도관이 아닌 변형 가능한 플랩(38)을 통해서만 덕트(10) 외부의 대기로 방출된다.

본 발명자의 연구에 의하면, 이는, 파도가 덕트(10) 안으로 이동할 때 유동 통로(40) 내의 공기가 변위되어 일방향 터빈(44) 밖으로 흘러나오고 대기로 배출되는 구성에서, 그리고 파도가 입구부(20)를 통해 덕트(10) 밖으로 나가 수역(16) 쪽으로 가는 복귀 사이클에서, 대기가 유동 통로(40) 안으로 다시 들어가는 어떤 종류의 벽 개구를 통해 다시 유동 통로(40) 안으로 들어가는 복귀 사이클에서 전기를 생성하기 위해 진동 수주를 작동시키기에는 상당히 에너지 비효율적인 것으로 밝혀졌다. 이러한 광범위한 연구에 근거하여, 본 발명자는, 이는 최대 전력 생성 특징을 제공하는 유동 통로(40) 안으로 들어가는 공기 흡입의 다운스트로크(즉, 진동 수주 챔버로부터 물의 하강 또는 인출) 동안이며 이 구성에서 터빈(44)의 회전으로 생성된 에너지는 (ⅰ) 양방향 터빈 또는 (ⅱ) 예컨대 유입하는 해양 파도로부터 덕트 안으로 들어가 위쪽으로 터빈을 통과하는 공기 압력의 업스트로크의 압력을 사용하여 얻을 수 있는 것 보다 상당히 더 많다는 것을 보였다.

덕트(10)의 제 1 도관(12)은 사용시에 수역의 평균 표면 레벨(MSL)의 실질적으로 아래쪽에 잠기도록 배치되고, 그의 기다란 축선은 모래 및 암석 기반과 정렬되도록 일반적으로 수평으로 배향된다. 제 2 도관(14)의 최상측 영역(36)에는, 일방향의 변형 가능한 플랩(38) 형태의 다수의 유동 제어 장치가 있으며, 이는 수동적으로 작동하여 폐쇄 위치에서 정지하고 유체 유동에 의해 개방 위치로 움직일 수 있다. 제2 도관(14) 내부의(그리고 물의 최대 레벨(32) 위쪽에 있는) 최상측 영역(36)은 또한 일방향 터빈(44)과 유체 연통하는 유동 통로(40)를 규정한다.

본 발명자가 채택한 기하학적 설계 특징은, OWC의 기부(18)의 경사진 외부 표면의 사용의 도입을 포함한다. 기부(18)는 제 1 도관(12)의 입구부 단부(개방 단부)(20) 쪽으로 이동할 때 아래쪽 방향으로 경사진다(도 3 및 도 10 참조). OWC 덕트(10)는, 그의 기부(18)가 해저의 경사, 예를 들어, 해안선에서 멀어지는 하향 경사 해저와 일치하는 경우, 그의 바람직한 위치에 더 쉽고 안정적으로 안착될 것이다. 이 특징의 목적은, 덕트(10)의 위치 설정에 필요한 해저 준비의 양을 최소화하고 또한 유입 파도 상으로 바깥쪽으로 향하도록 덕트의 축 방향 정렬을 최적화하는 것이다.

중요한 것은, 제 2 도관(14)의 최상측 영역(36)에 있는 유동 통로(40)의 변위 가능한 가스에 대한 접근이 하나 이상의 밸브(38)(또는 다른 형태의 유동 제어 장치)를 통해 이루질 수 있을 뿐만 아니라 일방향 터빈(44)을 통해서도 이루어질 수 있기 때문에, 시스템은 유동 챔버에 대한 각각의 접근 형태를 개별적으로 그리고 다른 것에 대해 순차적으로 작동하도록 구성하는 것이 가능하다. 그렇게 함으로써, 이는 터빈(44)의 설계가 전력 생성을 위한 종래 기술의 진동 수주에서의 배치보다 상당히 더 간단할 수 있음을 의미하며, 그 중 다수는, 축상에서 일방향으로 회전하는 터빈을 사용하여 양방향 공기 유동에 대처할 수 있는 새로운 터빈 설계의 개발에 초점을 맞추고 있다. 이와 같은 종래 기술의 장비에서는, 제 2 도관의 최상측 영역에 있는 유동 통로 내의 가스가 덕트 내에서 수직으로 상승하는 물에 의해 변위되어 일방향 터빈 밖으로 유출되어 대기로 배출되지만, 가스가 흡입에 의해 다시 유동 통로 안으로 끌려 들어갈 때, 그 가스는 동일한 일방향 터빈을 통해 하지만 반대 방향으로 흐를 필요가 있는데, 그래서, 매우 복잡한 조절 가능한 유동 터빈 설계가 필요하다.

본 시스템에서, 터빈(44)은 기본적으로 알려진 설계이며, 회전 가능한 축의 일단부에 위치되는 중심 허브(50) 및 허브(50)의 주변부 주위에 배치되고 그로부터 연장되는 복수의 블레이드(52)를 포함하는 터빈 회전자(48)를 포함하며, 회전자(48)는 유동 통로(40)와 유체 연결되는 터빈 하우징(54) 내부에 배치된다. 터빈 블레이드(52)의 형상 및 허브(50)에 대한 그의 배향은, 터빈 하우징(54)을 통과하는 가스의 일방향 축방향 유동에 응하는 터빈 회전자(48)의 일방향 회전을 촉진시킨다.

또 다른 실시 형태에서, 터빈 블레이드(52)의 형상 및 터빈 하우징(54)의 내부는, 블레이드 표면에 대한 공기 유량의 영향을 최소화하도록 터빈 블레이드의 선단에서의 난류 또는 항력을 최소화함으로써 효율을 개선하고 터빈 블레이드의 에너지 전환을 최대화하도록 배치되는 상이한 구성일 수 있다.

이러한 유형의 터빈에서 전형적인 바와 같이, 전기 발전기는 전기 에너지를 생성하기 위해 터빈에 의해 회전하도록 구성되고, 인버터를 통해 터빈(44)의 구동 축에 연결되며, 이는 본 명세서의 뒷부분에서 상세히 설명된다.

그 외에도, 터빈 하우징(54)과 유동 통로(40) 사이에 위치한 통로의 내부 중심에는 안내 베인이 도입되어 있다. 2개의 안내 베인(60)이, 유동 통로(40)의 상단부에 인접하는 터빈 하우징(54)의 만곡된 단부 영역(66)의 내부 측벽(62, 64)을 이어주는 곡면형 핀의 형태로 나타나 있다. 안내 베인(60)은 작동 유체(공기)의 축방향 유동 방향으로 중간 흐름에 위치되도록 배치된다.

이들 안내 베인(60)은 다운스트로크 기간 동안(파도가 OWC 덕트 밖으로 이동함에 따라) 유동 통로(40) 안으로 유입되는 공기의 난류를 감소시키는 기능을 한다. 다운스트로크 기간 동안에, 그 흡입 압력 하에서 터빈(44)을 통해 유동 통로(40) 안으로 끌려 들어가는 공기의 유량이 급격히 증가한다. 안내 베인(60)의 목적은, 공기 유동이 90도 방향 변경을 통해 전환하고 흐를 때 그 공기 유동을 합리화하고 그 결과 공기가 터빈(44)을 지나갈 때 그 터빈에 전달되는 추력(thrust) 에너지를 최대화하고 또한 난류로 인한 마찰 손실을 줄이는 것이다.

도 4c 및 도 10에 나타나 있는 바와 같이, 덕트의 제 2 도관(14)의 최상측 영역(36)은 격자형으로 배열된 15개의 직사각형 개구(41)를 가지며, 각 개구 상에는 변형 가능한 플랩(38)이 사용시에 폐쇄체로서 장착된다. 다른 실시 형태에서, 만나게 될 위치 및 예상되는 바다 파도의 강도에 따라, 그 수보다 많거나 적은 변형 가능한 플랩(38)이 덕트(10)의 초기 구성 시에 설치될 수 있으며, 이는 특정 덕트의 가능한 최대 벤팅 비를 변경할 수 있는 설계 특징이다. 다른 실시 형태에서, 일방향 밸브, 폐쇄체 또는 플랩의 유형도 변경될 수 있고, 또한 상이한 유형의 일방향 밸브, 폐쇄체 또는 플랩의 조합이 각 개구 상에 설치될 수 있다.

일단 파도가 덕트(10)에 들어갈 때 변형 가능한 플랩(38)을 개방하는 반복된 단계(이어서 파도가 덕트(10)를 떠남에 따라 그 플랩이 폐쇄되고 공기가 터빈(44)을 통해 제 2 덕트(14) 안으로 흡인됨)가 안정한 패턴에 도달하면, 터빈(44) 및 발전기는, 절연된 고전압 구리 케이블에 의해 덕트(10)(근해에 위치되는 경우)로부터 육지(해안)로 전달될 수 있는 전기 에너지를 생성할 것이다.

크기의 일반적이고 비제한적인 표시로서, 도면에 나타나 있는 설계의 전형적인 하우징(15)은 약 8∼10 m의 제 1 도관 길이 및 그것이 위치되는 본체 또는 물 또는 바다 해안선의 베이스 표면 위쪽으로 15∼18 m 연장되는 제 2 도관을 갖는다. 한 예에서, 덕트의 구조는 전형적으로 강화 콘크리트로 만들어지고, 그래서 부식성 염분 환경에서 파도가 반복적으로 주는 압력을 견딜 수 있는 무게와 강도를 갖게 된다.

본 발명자는, 새로운 에너지 추출 장치를 사용한 실험 결과로부터, 양방향 공기 유동으로 작동하도록 구성된 일방향 터빈이 아니라, 일방향 공기 유동으로 작동하도록 구성된 일방향 터빈(44)으로부터의 에너지 포획의 상당한 증가가 있음을 발견하였다. 동등한 작동 기간 동안, 파도가 덕트(10) 밖으로 수역(16) 쪽으로 이동할 때 공기가 터빈(44)을 통해 유동 통로(40) 안으로 끌려 들어감에 따라, 생성된 에너지는, 동일한 방향으로 작동하는 유동이 있는 공지된 양방향 터빈 설계를 사용하여 얻어질 수 있는 것 보다 16% 더 양호하다. 이러한 개선된 결과는, 그것이 덕트(10) 밖으로 물을 끌어 냄에 따라, 수역(16)의 흡입 끌어 당김에 추가로, 제 2 도관(14)에 위치되는 진동 수주의 하향 정수압 수두의 조합으로 인한 것으로 생각된다. 따라서, 본 시스템은 다른 장치를 사용하여 유동 통로(40)와 관련하여 공기의 배출 및 흡인 단계를 격리하도록 구성될 수 있기 때문에, 덕트로부터의 파도 유출에 반응하여 작동하는 가스 유동으로부터만 에너지를 포획할 수 있고, 그 파도 유출은 또한 최고의 포텐셜 에너지를 갖는 유동이다.

본 발명자는 또한 새로운 에너지 추출 장치를 사용한 실험 결과로부터, 제 1 도관(12)의 개방 입구부(20) 근처에 또는 그 주위에 다양한 특징부가 추가될 때 에너지 포획의 상당한 증가가 있는 것을 발견했다. 덕트(10) 안으로 들어가는 유입 파도의 유동의 가속된 전달로 인해, 그러한 특징이 없는 공지된 진동 덕트 장치와 비교할 때 생성될 수 있는 에너지의 추가 개선이 얻어진다. 업스트로크시에 더 많은 유체를 덕트(10) 안으로 안내함으로써, 파도가 다운스트로크시에 OWC 덕트(10)를 떠남에 따라, 이어서 더 많은 공기가 가스 터빈(44)을 통해 제 2 도관(14) 내의 유동 통로(40) 안으로 끌려 들어간다고 생각된다.

진동하는 유체 덕트(10)를 부분적으로 포함하는 도시된 하우징(15)과 같은 무겁고 견고한 장치를 움직이는 수역의 가장자리에서 물에 안전하게 위치시키는 것은 어려운 일이다. 그러므로 본 발명자는 재사용 가능하고 잠수 가능한 부력 탱크를 사용하여 그 장치를 위치시키는 방법을 고안했다. 도 5a 내지 5g를 참조한다.

잠수되지 않은 상태에서, 하우징(15)은 그의 수중 위치를 위해 운송 선박 뒤에서의 견인에 의해 이동될 수 있다. 하우징(15) 자체에는, 조립된 장치를 최종 위치로 운반하기에 충분한 부력을 제공하기 위해 공기로 채워지고 밀봉된 기다란 트윈 탱크(70) 형태의 부양 보조 장치가 장착되어 있다. 설명되는 바와 같이, 기다란 탱크(70)는, 부력을 제공하기 위한 부양 보조 장치로서 작용할 뿐만 아니라, 또한 최종 위치에서 하우징(15)의 제어되는 잠수(또는 부분 잠수)를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

탱크(70)는 커플링에 의해 하우징(15)의 대향하는 기다란 외부 측벽(26) 모두에 고정되며, 그 커플링은 영구적으로 만들어질 수 있거나 탱크(70)가 재사용을 위해 제거될 수 있게 할 필요가 있으면 해제 가능하게 만들어질 수 있다. 일단 내부 덕트(10)를 포함하는 하우징(15)에, 터빈 하우징(54)에 위치되는 터빈(44)이 장착되면, 장치는 해저에 설치될 준비가 된다. 그런 다음에, 2개의 비어 있는 기다란 탱크(70)는 하우징(15)의 기다란 측면을 따라 제위치에 부착된다. 이들 단계는 잠수 가능한 도크(dock)(또는 건조(construction) 단계 중에 물에 인접하는 동등한 건식 플랫폼)에서 가장 잘 행해지고, 그런 다음에 최종 위치로 견인되기 위해 물 속으로 하강된다.

2개의 빈 탱크(70)는 밀봉된 상태로 유지되고 공기만을 담으며, 그래서 그 탱크는 물 위에 떠서 하우징(15)의 이동을 위한 부력을 제공한다. 2개의 부력 탱크(70)와 하우징(15)의 조립체는, 수역에 있는 장치의 미리 결정된 최종 목적지(예컨대, 해안선 근처의 해저) 쪽으로 이동되기 위해 긴 케이블을 사용하여 운송 선박(예컨대, 예인선) 뒤에서 견인될 수 있다.

하우징(15)의 내부에 배치되는 덕트(10)는, 사용시에 수역으로부터 유입되는 파도를 수용하기 위해 배치되는 직사각형 단부 개구 또는 입구부(20)를 가지며, 사용시에 그 입구부(20)는 파도의 근원인 수역 안으로 향하도록 바깥쪽으로 배향된다. 도 5f에 나타나 있는 바와 같이, 입구부(20)에는 제거 가능한 단부 도어(65)가 장착되며, 이 단부 도어는 운반 단계 중에 물을 가로질러 위치되며, OWC 하우징(15)이 그의 최종 안착 위치로 견인되는 동안에 해수 또는 호수의 물이 하우징(15)의 내부 덕트(10) 안으로 유입하는 것을 차단하도록 배치된다. 이 단부 도어(65)는, 덕트(10)의 내부에 존재하는 공기를 가두어 운반 단계 중에 하우징(15) 자체가 부력을 갖도록 하고 또한 장치의 이동을 돕는다.

조립된 구성에서, 입구부(20)의 수직 측면에 인접하여 위치된 두 탱크(70)의 단부면(72)은, 사용시 탱크가 부분적으로 잠수된 하우징(15)에 인접하여 부분적으로 잠수될 때, 그 단부면은 일단 도어(65)가 제거되면 OWC 챔버의 개방된 입구부가 바다로부터 유입하는 파도를 향하도록 배향될 때 그 OWC 챔버의 개방된 입구부가 될 것의 양쪽 수직 측면에 위치된 해수 진입 안내 베인으로서 기능할 것이다. (평면에서 볼 때) 진입 입구부의 기다란 중심 축선에 대해 40∼50도의 최적의 안식각(angle of repose)의 사용은, 덕트(10)의 내부에서 유동 통로(40) 안으로 안내될 수 있는 물의 양을 최대화하는 것으로 실험적으로 나타났다. 지나가는 물로부터 물이 OWC의 내부 챔버 안으로 들어가는 것을 최대화하면, 업스트로크 사이클시에 물이 그 내부 챔버 안으로 더 크게 압축 변위되며 또한 공기가 유동 통로(40)로부터 더 크게 방출된다. 본 발명자는 또한 이것의 결과가 다운스트로크 사이클에서 가스 터빈(44)을 가로지르는 공기의 부압(흡인)을 최대화하고 마찬가지로 가스 터빈(44)을 통해 유동 통로(40) 안으로 끌려 들어가는 공기 유량을 최대화할 것이라는 것을 보여주었다. 큰 공기 유량은 가스 터빈(44)으로부터 더 많은 회전 에너지를 생성할 것이고, 따라서 생성되고 포획되는 에너지의 양을 증가시킨다.

최종 위치 근처에 있을 때, 덕트(10)는, 단부 도어(65)를 제거하고 해수가 유동 통로(40)의 내부 안으로 흐르도록 함으로써, 그리고 OWC 하우징(15)에 위치되는 다양한 가요성 도관(74)이 각 탱크 내부에 위치되는 다양한 고정 도관(76)에 연결되면 그 다양한 가요성 도관을 통해 물을 펌핑함으로써 2개의 측면 탱크(70)를 가득 차게 함으로써 부분적으로 잠수될 수 있다. 이러한 공기 충전 또는 부양 구성요소가 가득 채워지면, 덕트(10)는 최종적으로 원하는 최종 작동 위치에 안착될 것이다. 부양 탱크는 제거되어 재사용될 수 있거나 제위치에 유지될 수 있고, 단부 벽은 해수 진입 베인으로서 기능하고, 탱크 본체의 나머지는 파도 충격 또는 바다의 잔해물 등으로부터 덕트(10)를 보호한다. 중력 하에서 덕트(10)는 해안선의 해저에서 그의 위치에 있게 되고, 최종 위치에서 물 속에 부분적으로 잠수되어 유지되며, 덕트는 그 최종 위치에서 파도를 포획하고 에너지를 생성할 것이다.

잠수형 탱크(70)를 사용하면, 최종 설치를 위해 멀리 떨어진 해안선에 도달하기 위해 개방된 물을 가로질러 이동할 때 그러한 크기가 큰 장치를 취급하는 안정성과 같은 큰 이점이 제공된다. 잠수형 탱크(70)는 거친 날씨에서 덕트 및 터빈 장치가 전복되거나 또는 가라앉는 위험을 최소화한다.

장치의 대안적인 구조적 특징

도면에 나타나 있는 OWC는 속이 빈 대형 콘크리트 챔버로, 부분적으로는 잠수되고 해저에 안착되며 수중 개구를 통해 바다로 배출된다. 챔버는 또한 수선 위쪽의 대기에 대한 작은 개구를 포함하며, 여기에 공기 터빈이 수용된다.

파도의 마루와 골이 종래의 OWC를 통과할 때 물은 챔버의 잠수된 개구를 통해 그 챔버에 들어가고 나가게 된다. 이 물은 챔버 내부에서 상승 및 하강하여, 위에 갇힌 공기의 압력이 양압과 음압 사이에서 진동하게 된다. 과거의 일부 실시 형태에서, 이러한 압력 변동은 전기를 안정적으로 생성하기 위해 공기가 챔버의 정상부에 있는 양방향 터빈을 통과하게 한다.

본 개시의 OWC와 종래의 OWC 사이의 기본적인 개념적 차이는, 터빈은 한 방향으로부터의 공기 유동에만 노출된다는 점이다. 수동적인 공기 유동 밸브는 공기가 챔버를 빠져나가도록 허용하지만 되돌아오는 것은 허용하지 않는다. 그 결과, 터빈 설계 제약이 더 간단하게 되는데, 이는 터빈이 일방향 공기 유동에 최적화될 수 있음을 의미한다. 또한 터빈은 마찰 손실이 적다.

공기가 파도 주기의 절반 동안만 공기 터빈을 통과하더라도, 전체 파도 주기의 거의 모든 에너지(통상적인 난류 및 마찰 손실은 제외)가 추출에 이용 가능하다.

추가 실시 형태에서, 본 발명자는, 장치의 예상 서비스 수명을 증가시키고/시키거나 자본 비용 및 운영 비용을 줄이는 것(예를 들어, 진행 중인 유지 보수 비용을 줄이는 방법)을 목표로 하는 OWC에 설계 변경을 포함시켰다.

예를 들어, 도면에 나타나 있는 OWC의 버젼은 약 5∼10미터 깊이(해저에서 측정되는 수심)의 비교적 얕은 연안 물 속에서 해저에 안착되도록 설계된다. 그러나, 본 발명자는 OWC 구조물에 도달하는 최대 파도 높이의 감소는, OWC에 의해 경험되는 힘이 부서지는 파도의 높이의 제곱에 비례하기 때문에 그 구조물에 충돌하는 움직이는 물의 힘의 상당한 감소를 의미한다는 것을 인식하고 있다.

따라서, 더 얕은 연안 물 작업에 사용하기 위해 재설계된 OWC 유닛(예컨대, 수심 약 2∼4m, 일반적으로 3m(해저에서 측정한 수심)에서 작동함)은, 물 진입 입구부의 형상 및 OWC 챔버의 내부의 형상을 최적화하기 위해 전산 유체 역학(CFD)의 사용을 필요로 하며, 이는 업스트로크시에 덕트 안으로 들어가는 유입 파도의 유동의 가속된 전달을 최대화하는 작동 목표를 가지며, 이 결과, 파도가 다운스트로크시에 덕트를 떠날 때 더 많은 공기가 유동 통로 안으로 끌려 들어가게 되며, 그래서 이러한 낮은 깊이에서 물의 에너지의 효율적인 전환이 최적화된다.

상당히 감소된 물의 힘이 구조 공학 최적화를 사용하여 OWC 구조물에 영향을 미치는 해양 환경은, 다음 중의 하나를 사용하여 이러한 환경에 필요한 OWC 구조물의 자본 비용 감소를 달성할 수 있음을 나타낸다.

- 더 적은(또는 더 얇은) 구성 재료;

- 더 가벼운(또는 덜 조밀한) 구성 재료;

- 그렇지 않으면 더 깊은 물, 더 많은 헤비 듀티 용례에서 요구되는 구조 보강재의 양이나 유형 또는 배치의 감소; 및

- 더 깊은 물, 헤비 듀티 용례에서 요구되는 유닛 크기에 비해 유닛의 전체 크기의 감소.

OWC를 사용할 때 고려해야 할 위치 인자

OWC를 해저로부터 얕은 연안 물 깊이(예컨대, 2∼4미터)에서 작동하도록 설계한다는 것은, OWC 구조물은 상당히 감소된 물의 힘이 영향을 미치게 되는 바다 환경에 위치하여, 구조물의 자본 비용의 감소로 이어지고 또한 그러한 얕은 물에서 나타나는 파도 에너지의 효율적인 전환이 최적화된다는 것을 의미한다.

따라서 OWC 구조물의 보다 컴팩트한 버전의 개발 및 사용은 장치를 배치할 수 있는 위치의 범위를 증가시킨다. 얕은 물 OWC 또는 상대적으로 깊은 물 OWC의 옵션을 사용하면, 서로 다른 물리적 위치에 있는 사용자에게 여러 현장별 해결책을 제공할 수 있다. 예를 들어:

- 일부 원격 위치는 작은 크기와 전력 출력으로 인해 얕은 물 OWC만 필요할 수 있으며, 더 큰 헤비 듀티의 깊은 물 OWC는 필요로 하지 않는다; 또는

- 일부 위치에서, 해안선에서 측정된 물 깊이의 변화율에 따라, 얕은 물 OWC 설치가 가능한지 또는 깊은 물 OWC만 가능한지의 여부가 결정될 수 있다; 또는

- 일부 위치에서는, 로컬 육지에서 생기는 우세한 파도 패턴 및 해안선으로부터 측정되는 물 깊이의 변화율에 따라, 얕은 물 OWC와 깊은 물 OWC의 조합이 유용할 수 있다.

OWC 장치가 얕은 물 또는 상대적으로 깊은 물 작동을 목표로 하는 설계 및 유형인지 여부에 관계없이 OWC 장치가 배치될 수 있는 위치의 범위를 증가시키는 추가 옵션은, 비교적 얕은 연안 물의 깊이(해저로부터 측정되는 물 깊이)의 범위에 걸쳐 유연하게 배치되고 작동될 수 있는 장치를 포함한다.

본 출원의 도면에 개시된 실시 형태는, OWC 유닛을 그의 자체 중량으로 해저에 고정하는 것을 포함하며, 매우 무거운 구조 설계를 필요로 하는데, 이는 재료 및 운반 비용 모두에서 상당한 비용을 추가한다. 또한 상대적으로 평평한 해저가 있는 위치를 선택해야 한다.

예를 들어, OWC 구조물은, 예컨대, 높이 조절이 가능한 지지 다리를 사용하여 해저에 고정될 수 있으며, 그 다리는 OWC의 기부에 장착할 수 있고 또한 해저 관통에 의해 고정될 수 있다. 개별 다리의 높이를 조절하여 유닛의 필요한 깊이와 경사를 얻을 수 있으면, 깊이가 고르지 않고 지구물리학적 조건이 변할 수 있는 해저 위치에 유닛을 더 쉽게 설치할 수 있다.

OWC 구조물을 해저에 고정하기 위한 새로운 기술의 개발은 또한 사용자에게 더 가벼운 무게의 OWC 유닛을 배치할 수 있는 유연성을 제공하고, 또한 가변적인 해저 프로파일을 갖는 영역에서 그렇게 함으로써, 기술의 지리적 범위가 넓혀지고 또한 재료 및 운송 비용이 감소된다.

OWC 장치를 배치할 수 있는 위치의 범위를 늘리는 것을 목표로 하는 추가 개량예에서, 본 발명자는, 바다 또는 해저에 위치되고 OWC 덕트 근처에 배치되는 외부의 보조 구조물을 개발하고 위치시켜, OWC 덕트 쪽으로 그리고 그 안으로 들어가는 바다에서의 파도 팽창의 자연스러운 지향성 운동을 집중시키는 방법을 고안했다. 이러한 구조물의 목적은, 바다 파도의 에너지를 편향에 의해 집중, 굴절 및/또는 방향 전환시켜 그 에너지를 OWC 덕트의 입구부 쪽으로 또한 그 안으로 집중시키는 것이다.

OWC 자체에는 변경 사항이 없지만, OWC 유닛과 함께 작동할 수 있는 외부의 구조물형 개체는 일반적으로 OWC 유닛 자체가 그의 최종 안착 위치에 배치되면 그 OWC 유닛에 인접한 고정 위치에 위치되도록 설계되며, 배치되는 외부 객체의 설계는 그 쪽으로 이동하는 파도를 편향에 의해 집중, 굴절 및/또는 방향 전환시키는 것이다. 외부 객체는 주변 바다의 수위 위쪽에서 볼 수 있도록 위치될 필요는 없지만, 예를 들어, 근처 물의 국소적 속도와 그 물 유동의 방향을 변경하기 위한 해저 둔덕(mound)을 포함할 수 있다.

예비 조사에 따르면, 자본 비용이 약간만 증가해도, OWC 덕트로 포획할 수 있는 에너지가 약 50% 이상 증가할 수 있다.

OWC를 위한 에너지 포획 및 저장

움직이는 작동 유체의 에너지를 회전 가스 터빈으로 전환시키는 효율은 터빈 설계 및 이미 언급한 다양한 유동 효율 파라미터에 달려 있다. 그러나 가스 터빈이 회전할 때마다 약간의 전력이 생성될 수 있다.

본 개시에서, 본 발명자는 또한 OWC 발전소와 함께 전기 에너지 포획 및 저장의 효율을 개선하는 방법을 고안하였다. 현재의 경우에, OWC는 반복 주기, 양방향 유동을 사용하여 작동하지만, 생성되는 전력 출력은 일방향 터빈을 사용하여 얻어지고, 그래서 등가 주기 사이에 간격을 두고 주기적인 반복되는 정현파 버스트(burst)로 전달된다.

이것은 대규모 본토 전력 그리드에 에너지를 전달할 때는 주요 문제가 아니지만, 마이크로그리드(일반적으로 청정 및 재생 가능 에너지로 구동) 및 섬 및 개발 도상국에 있는 것과 같은 소규모 및/또는 원격 그리드에는 문제가 될 수 있고, 거기서는 그러한 출력은 안정적인 전력 자원이 아니다. 전력 품질 문제는, 소규모, 로컬 또는 격리된 전력 그리드에 연결된 사용자에게 더 많은 영향을 미치며, 전력 공급의 변동으로 인해 장비 고장이 발생할 수 있다. 민감한 산업 부하와 중요한 상업적 운영은 정전 및 서비스 중단으로 인해 큰 어려움을 겪을 수 있으며, 그 결과 유틸리티와 소비자 모두에게 재정적 손실이 발생한다. 인구 밀도가 높은 국가에서는, 대규모 인구가 관여되는 이벤트에 따라, 그리드 부하 수요에 급격한 변동이 있을 수 있으며, 공급과 수요의 격차로 인해 신뢰성과 전력 품질이 중요한 문제가 되었다. 이제 전력 그리드가 일부 형태의 대체 에너지에 대한 의존도가 높아지고 기본 부하 소스가 더 적어지면, 그리드가 불안정해질 수도 있다.

에너지 포획 및 전환 시스템(이를 제어하는 하드웨어 및 소프트웨어 모두)은 OWC 유닛에서 나오는 전기 에너지 출력을 제어하는 데 사용된다. 이는 제어 시스템을 통해 OWC를 고객 전력 그리드와 통합시키는 데에 기본이 된다. 일반적으로, OWC 터빈은 구동기, 발전기 및 다양한 유형의 변압기에 연결된다. 본 개시의 OWC에서, 가스 터빈을 통해 흡인될 수 있는 작동 유체(공기)의 부피가 그 가스 터빈의 회전 속도를 결정할 것이다. 가스 터빈의 전력 출력은 그의 회전 속도와 관련이 있다. 다운스트로크 기간(제 2 구성에서 파도가 OWC 내부 밖으로 이동할 때) 동안 시간에 따른 가스 터빈의 전력 출력의 그래프는 초기에는 정현파 형태를 가지며, 이는 터빈의 회전 속도가 증가한 후 감소함을 나타낸다. 가스 터빈은 소위 작동(또는 "운전") 모드로 회전한다. 이어서, 연속적인 업스트로크 기간(제 1 구성에서 파도가 OWC의 내부 안으로 들어갈 때) 동안 시간에 따른 터빈의 전력 출력의 그래프는 그 형태가 평평하고, 터빈의 일정하고 낮은 관성 회전 속도를 나타내며, 상대적으로 낮은 전력 생성 속도를 준다. 터빈은 소위 대기(또는 "타성(coasting)") 작동 모드로 회전한다.

반복적인 주기에서, 이러한 유형의 전력 생성을 "버스트 모드" 전력 전달이라고 한다. 전력은 일정량의 에너지가 전달되는 속도로, 일방향 터빈을 통한 파력 에너지 포획의 경우에, 전력 출력은, 등가 주기의 사이에 간격을 두고, 주기적인 반복된 버스트로 나오게 된다. 이러한 전력 출력의 변동은 대부분의 일반적인 전기 장치 및 조명 등의 작동에 적합하지 않으며, 그래서 에너지 저장 장치를 구현하여 전력 출력의 버스트 사이의 간격을 완충할 수 있다.

슈퍼캐패시터 또는 다른 반응성 전력 주입 시스템과 같은 에너지 저장 장치의 도움을 받아, 생산된 전력의 품질을 개선할 수 있다. 슈퍼캐패시터는 전력 출력의 이러한 격차를 완충하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 장치는, 터빈이 더 높은 회전 속도로 작동하고, 다운스트로크시에 공기가 그를 통해 흡인되고 잉여 전력이 생성되는 기간 동안에 충전될 수 있으며, 그래서, 이어지는 업스트로크 기간 동안에, 터빈이 관성 회전 속도로만 작동하고 적은 양의 전력을 생성할 때, 이들 장치는 방전되어 에너지의 버스트를 전달할 수 있고, 그리하여 시스템의 출력 전력 레벨을 높여 연속적인 기간(또는 제 1/제 2 작동 구성)에 걸쳐 출력 전력 레벨을 더 일관되게 만든다.

슈퍼캐패시터는 많은 양의 에너지를 저장하고 또한 매우 빠르게 재충전될 수 있는 능력이 있다. 슈퍼캐패시터는 수천 번의 충전 및 방전 주기 동안 유용하다. 그래핀, 코발트-망간 산화물과 같은 에너지 저장을 향상시키기 위해 다양한 재료로 이용 가능한 많은 유형의 슈퍼캐패시터가 있으며, 배터리의 저장 용량을 슈퍼캐패시터의 저장 용량과 결합할 수도 있다.

이제, 하우징(15)에 위치하는 덕트(10) 내외로 이동하는 OWC와 유동 통로(40) 내외로 이동하는 진동하는 작동 유체의 도 1 및 도 2에 나타나 있는 실시 형태를 참조하면, 국지적 파도의 프로파일이 상승함에 따라, OWC 레벨이 하우징(15)의 덕트(10) 내에서 상승하여, OWC 위쪽에 위치된 유동 통로(40)에 양의 공기 압력을 생성한다. 장치의 제 1 작동 구성에서, 이 압력은 하우징(15)의 상측 후방 외벽에 위치되는 일방향 플랩 밸브(38)를 통해 완화된다. 유동 통로(40)로부터 양의 압력을 배출하는 이러한 방식의 결과로, 가스 터빈(44)은 일방향으로 작동될 수 있는 설계로 될 수 있다. 제 1 작동 구성에서, 공기 터빈은 대기(또는 "타성") 모드로 회전한다.

국지적 파도의 하강 프로파일이 해안을 떠남에 따라, 그 파도는 진동하는 수주를 하우징(15) 내부의 덕트(10)로부터 바깥쪽으로 끌어내고, 유동 통로(40)에서 공기 압력의 강하가 발생한다. 압력을 대기압과 같게 하기 위해, 장치는 공기 구동식 가스 터빈(44)을 가로질러 압력차가 존재하는 제 2 구성으로 작동한다. 가스 터빈(44)은 유동 통로(40)에 연결된 터빈 하우징(54)에 위치된다. 압력차에 의해 공기가 가스 터빈(44)을 통해 끌려 들어와 그 터빈이 회전되고 공기가 유동 통로(40) 안으로 들어간다. OWC가 하우징(15) 내부의 덕트(10)로부터 바깥쪽으로 끌어 당겨지고 유동 통로(40)로부터 물러나는 기간 동안에 공기 터빈(44)은 작동(또는 운전) 모드로 있다.

이제, 장치의 발전 및 전력 인출의 상세의 일부를 보여주는 도 13을 참조한다. 가스 터빈에 작용하는 공기 압력으로 인해 발생하는 공압 동력은 공기 터빈 토크의 형태로 기계적 동력을 생성함으로써 포획된다. 공기 구동식 터빈은 활성 전방 단부(AFE; Active Front End) 구동기에 의해 제어되는 3-상 전기 모터에 직접 연결된다. 에너지 출력 인버터가 회전 터빈(44)에 연결되어 전기 모터를 적절한 회전 속도로 구동시킨다. 1000 rpm의 전형적인 작동 속도가 이 단계에서 전력 생성 기간을 통해 설정된다.

AFE는 회생 제동 모드로 작동한다. 모터 구동기의 속도 설정점은, 시스템이 제 2 구성으로 작동할 때 공기 압력차에 반응하여 그러한 공기 터빈을 구동할 때 일반적으로 발생하는 값 아래로 설정된다. 이러한 방식으로, 시스템은 공기 압력 변화로 인한 공압 동력으로부터 생성되는 공기 터빈 토크의 형태로 기계적 동력에 능동적으로 대항하게 된다. 토크에 대한 회생 제동은 가스 터빈(44)의 기계적 에너지를 전기 에너지(전력)로 전환시킨다. 따라서 DC 버스와 같은 재충전 가능한 에너지 저장 장치가 제 2 구성에서 터빈의 회전 동안에 충전된다. 하나의 파일럿 플랜트 예에서 최적의 작동 대역에 따라(바다 및 발전 조건에 근거하여), 모터 구동기는 5 RPM 내지 850 RPM의 터빈 속도 미만의 속도 설정점을 가질 수 있습니다. 구동기는 규정된 설정에서 일정한 제동력을 가할 것이며 이 제동력으로 인해 DC 버스 전압이 상승될 것이다.

일부 적절한 재충전 가능한 에너지 저장 장치(예컨대, 슈퍼캐패시터)는, 터빈이 더 높은 회전 속도로 작동하는 기간 동안에 충전될 수 있으며, 그리고 터빈이 제 1 구성으로 작동할 때 더 낮은 회전 속도로 작동하는 경우 시스템의 출력 전력 레벨을 높이기 위해 방전될 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 슈퍼캐패시터는 전력을 빠르게 저장하고 방전할 수 있는 밀폐형 캐패시터 유닛이다. DC-DC 컨버터가 사용되어 DC 버스 전압을 슈퍼캐패시터에 적합한 DC 전압으로 낮춘다. 이 모듈은 슈퍼캐패시터가 충전되고 발전 준비가 되어 있는 것을 보장한다.

슈퍼캐패시터 충전/방전 유동 설정점은 작동 중에 설정된다. 최소 시작 충전이 달성되어야 하고 그런 다음에 슈퍼캐패시터가 그의 충전 상태의 20∼80% 사이에서 작동하여 DC 버스에서의 전압 상승 및 슈퍼캐패시터 수명의 단축을 방지한다.

이 충전 가능한 장치로부터의 전기적 방전은, 시스템 안으로 들어오는 파력의 변동 중에 외향 전력을 원하는 일정한 값으로 유지하기 위해 사용된다. 한 예에서, 슈퍼캐패시터의 방전 전력은 약 0.76 kWh인데, 이는 90초 동안 평균 30kW의 외향 전력을 제공할 것이다. 슈퍼캐패시터와 같은 충전 가능한 장치를 사용하면, 버스트 모드형의 전력 생성 시스템에 내재하는 급증하는 발전을 평탄하게 할 수 있다.

AFE(Active Front End) 모듈은 구동기 모듈의 DC 버스로부터 로컬 AC 전력 그리드에 연결하도록 설계된다. AFE의 역할은, DC 버스에 연결된 장비에 대한 전력 공급을 보장하고 그의 전력 상태를 유지하며 또한 DC 버스 전압을 로컬 그리드에 내보내기 위해 필요한 원하는 일정한 전력 값을 갖는 AC 전압으로 전환시키는 것이다. AC 전력은 전송 링크를 통해 전력 그리드에 내보내진다.

본 발명자는, 에너지 포획 시스템이 부분 에너지 저장 시스템과 결합되면, 생성되고 있는 출력 전력의 최고점과 최저점을 제거하여 OWC 모듈의 작동을 보완할 수 있고 또한 더 많은 일정한 출력 전력을 제공할 수 있음을 보여주었으며, 그 출력 전력은 제어 시스템을 통해, 전기 그리드에 연결된 사용자에게 방출된다.

추가 실시 형태에서, 슈퍼캐패시터는 또한 화학 배터리와 함께 사용될 수 있다. 전압이 버퍼링되면, 생산된 전기는 인버터를 통해 그리드에 AC 전력을 공급할 수 있다.

여기서 개시된 장치는 종래의 발전 장치 및 이전의 OWC 기술에 비해 많은 이점을 갖는다:

- 예상 압력/유동 특성에 대한 터빈 성능/효율이 또한 최적화될 수 있다;

- 밸브를 차단하여 손상을 방지하기 위해 폭풍우 조건에서 장치를 기계적으로 격리시킬 수 있다. 그 장치는 그의 견고한 구조로 인해 폭풍우에도 손상되지 않을 것이다;

- 진동 수주(OWC) 장치의 실험 성능은 넓은 파동 진동수 범위에 걸쳐 매우 양호한 에너지 수확 능력을 보여주었고, 이전의 양방향 OWC에 비해 출력의 현저한 개선을 주었다;

- 극한 조건을 견디기 위해 파도의 작용보다 훨씬 위쪽에 안전하게 위치될 수 있고 콘크리트 케이슨(caisson)에 의해 요소로부터 보호될 수 있는 더 간단하고 효율적인 일방향 공기 터빈. 일 예시적인 장치의 크기는 20 m x 20 m이고 높이는 18 m이다. 이 중의 단지 8 m만이 흘수선 위쪽으로 돌출된다. 발전 유닛은 일반적으로 해안에서 약간 떨어져서 10 미터의 수심에 위치된다.

- 연안 파력 에너지 전환기의 팜(farm)(또는 어레이)을 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 장치를 해안 방파제(또는 제방)로 사용하여 지역 사회와 산업에 전력과 보호된 항구를 모두 제공하는 동시에, 상당한 비용 분담 및 절감 가능성을 실현한다.

- 전체 기술에서 유일하게 움직이는 부분은 터빈 및 몇몇 간단한 기성품 밸브이며, 이들 모두 수선보다 훨씬 위쪽에 있다. 물 속이나 물 아래에는 움직이는 부분이 없다. 이는, 바다 위쪽의 접근하기 쉬운 영역에서만 유지 보수를 수행하면 됨을 의미한다. 다른 많은 파력 에너지 장치의 작동은 수중에서 일어나고, 그래서 그 장치는 염수의 부식 및 손상 효과에 노출되어 유지 보수 또는 수리하기가 어렵게 된다. 터빈과 발전기는 수선 위쪽에 유지되는데, 이는 유지 보수가 적고 스쿠버 장비 없이도 모든 서비스를 수행할 수 있음을 의미한다.

- 물 아래에는 움직이는 부분이 없기 때문에, 해양 생물의 부상이 방지된다. 오일이나 오염 물질이 방출될 수 없다.

- 바다 파도의 신뢰성과 예측 가능성은 태양열과 풍력에 비해 큰 이점이다. 예를 들어, 많은 기상 및 서핑 웹사이트는 이미 일주일 전에 파도 상태를 정확하게 예측하며, 따라서 이 재생 가능한 소스는 보완적인 기본 부하 전력으로 간주될 수 있다.

특정 실시 형태에 대한 전술한 설명에서, 명확성을 위해 특정 용어에 의존하였다. 그러나 본 개시는 그렇게 선택된 특정 용어에 한정되지 않으며, 각 특정 용어는 유사한 기술적 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 다른 기술적 등가물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. "상측 및 "하측", "위쪽" 및 "아래쪽" 등의 용어는, 기준점을 제공하기 위해 편의상 사용된 것으로, 한정적인 용어로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 "포함하는"이라는 단어는 "개방적인" 의미, 즉 "포괄하는"의 의미로 이해되어야 하며, 따라서 "폐쇄된" 의미, 즉 "∼으로만 이루어지는"의 의미로 제한되지 않는다. 대응하는 의미는 그것이 나타나는 "포함한다" 및 "포함된"이라는 대응하는 단어에 귀속된다.

앞의 설명은 공통적인 특징 및 특징을 공유할 수 있는 여러 실시 형태와 관련하여 제공된다. 임의의 한 실시 형태의 하나 이상의 특징이 다른 실시 형태의 하나 이상의 특징과 조합될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 임의의 실시 형태에서의 임의의 단일 특징 또는 특징의 조합이 추가적인 실시 형태를 구성할 수 있다.

추가로, 전술한 내용은 본 발명의 일부 실시 형태만을 설명하고, 개시된 실시 형태의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 그 실시 형태에 대한 변경, 수정, 추가 및/또는 변화가 이루어질 수 있으며, 실시 형태는 예시적인 것이지 제한적이지 않다. 예를 들어, 도면에 나타나 있는 덕트(10)의 특정한 L-형태는 상이할 수 있으며, 2개의 도관(12, 14)은 반드시 서로 직교할 필요는 없다. 일방향 플랩 밸브(38)는 그의 크기, 형상 및 총 수에 있어 다를 수 있다. 임의의 특정 덕트(10)에 하나 보다 많은 터빈(44)이 있을 수 있고, 이들 터빈은 다른 수단에 의해(예를 들어, 파이프를 통해) 제 2 도관(14)의 최상측 영역(36)에 수용되고 연결될 수 있다. 일반적으로 콘크리트로 만들어지는 덕트(10)의 구성 재료는 경질 플라스틱 또는 탄소 섬유와 같은 다른 재료일 수도 있고, 바다 해안에서 기부(18)를 통해 고정될 수도 있다. 바다 또는 해양으로부터의 파도 생성에 대해 언급하였지만, 파도 생성은 호수, 강 및 조수(tidal) 웅덩이에서도 발생할 수 있으며, 이들 모두는 본 방법 및 장치를 사용하는 데에 적합하다.

Claims (24)

1. 진동하는 작동 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 장치로서, 상기 진동하는 작동 유체를 위한 유동 통로, 에너지 전환 유닛 및 유동 제어 장치를 포함하고, 에너지 전환 유닛과 유동 제어 장치 각각은, 적어도 부분적으로, 상기 유동 통로와 유체 연통하며, 사용시에 상기 유동 제어 장치는, 이 유동 제어 장치가 개방되어 상기 진동하는 작동 유체의 유동이 그를 통해 유동 통로에서 나갈 수 있게 해주는 제 1 구성과, 진동하는 작동 유체가 상기 에너지 전환 유닛을 통해 유동 통로에 들어가도록 유동 제어 장치가 그를 통과하는 작동 유체의 유동을 제한하도록 배치되는 제 2 구성 사이에서 선택적으로 작동 가능한, 진동하는 작동 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유동 제어 장치는, 진동하는 작동 유체의 압력 및/또는 유동 방향의 변화에 반응하여 상기 유동 통로에 대한 접근의 구성을 변경하는, 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 유동 제어 장치는, 상기 제 2 구성에서 에너지 전환 유닛을 통해서만 작동 유체의 유동을 용이하게 하도록 완전히 폐쇄될 수 있는, 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동하는 작동 유체의 유동은 상기 제 1 구성에서 상기 에너지 전환 유닛을 우회하는, 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   사용시에 상기 유동 제어 수단과 에너지 전환 유닛은 각각 상기 장치가 제 1 구성으로 작동하는지 아니면 제 2 구성으로 작동하는지에 따라 개별적으로 그리고 순차적으로 작동하도록 구성되어 있는, 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유동 제어 장치는 제 1 구성과 제 2 구성 사이에서의 그의 이동에 있어서 상기 진동하는 작동 유체의 유동에 반응하여 수동적으로 작동하는, 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유동 제어 장치는 제 1 구성에서 개방되거나 제 2 구성에서 폐쇄되도록 움직일 수 있는 폐쇄 요소를 포함하는, 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 폐쇄 요소는, 유동 통로의 출구 개구를 덮고 이 출구 개구에 대해 힌지식으로 움직일 수 있는 형상으로 되어 있는, 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 폐쇄 요소는 탄성적으로 변형 가능한 엘라스토머 재료를 포함하는, 장치.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 출구 개구에는 이를 가로질러 연장되는 하나 이상의 지지 요소가 배치되어 있고, 이 지지 요소는 사용시에, 상기 장치가 제 2 구성으로 작동하고 있을 때 상기 유동 통로 안으로 들어가는 폐쇄 요소의 운동을 제한하여 상기 폐쇄 요소가 폐쇄 위치에 있을 때 그 폐쇄 요소를 지지하도록 배치되는, 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 전환 유닛은,
    터빈 하우징 내에 배치되는 가스 터빈 - 상기 터빈 하우징은 사용시에 상기 유동 통로와 유체 연결되도록 배치됨 -; 및
    상기 가스 터빈에 결합되는 에너지 생성 장치를 포함하고,
    사용시에, 제 2 구성에서 상기 진동하는 작동 유체의 압력 및/또는 유동 방향의 변화에 반응하여 상기 가스 터빈이 회전하면 회전 토크가 발생되며, 이 회전 토크는 전기 에너지를 생성하기 위해 상기 에너지 생성 장치의 작동을 일으키는, 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 에너지 생성 장치는 전기 모터 및 출력 인버터를 포함하고, 이는 가스 터빈이 출력 인버터를 통해 전기 모터에 연결되도록 배치되며, 그래서 상기 가스 터빈에 의해 발생된 회전 토크가 사용시에 상기 전기 모터에 전달되어 이 전기 모터를 구동시키는, 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도는 활성 전방 단부 구동기에 의해 제어되며, 이 구동기는 사용시에, 가스 터빈의 회전에 의해 발생되는 회전 토크 모두가 전기 모터에 전달되는 경우에 가능한 속도 보다 낮은 속도로 전기 모터를 작동시키도록 배치되며, 그리하여, 상기 활성 전방 단부 구동기는 회생 제동 조건을 달성하고, 그렇게 해서, 재충전 가능한 에너지 저장 장치의 충전을 위한 전기 에너지 입력을 생성하는, 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 재충전 가능한 에너지 저장 장치는 DC 버스, 배터리 및 슈퍼캐패시터를 포함하는 그룹 중의 하나 이상인, 장치.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 재충전 가능 에너지 저장 장치에 저장된 전기 에너지는 사용시에 방전되어, 가스 터빈이 제 1 구성으로 작동하고 있을 때의 장치의 출력 전력 레벨을 높여, 가스 터빈이 제 2 구성으로 작동하고 있을 때의 장치의 출력 전력 레벨과 상응하게 되어, 장치의 출력 전력을 원하는 일정한 값으로 유지시키는, 장치.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈은, 중심 허브 및 이 허브의 주변부 주위에 배치되고 그로부터 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 회전자를 포함하고, 회전자는 상기 터빈 하우징 내에 배치되고, 그리하여, 블레이드의 형상 및 허브에 대한 그 블레이드의 배향은, 사용시에 터빈 하우징을 통과하는 상기 진동하는 작동 유체의 일방향 축방향 유동에 반응하는 가스 터빈의 회전자의 일방향 회전을 용이하게 하는, 장치.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동하는 작동 유체는 공기이고, 공기의 유동은, 사용시에 상기 유동 통로와 유체 연통하고 덕트 내부에 위치되는 진동 수주(water column)의 진동에 의해 발생되는, 장치.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 덕트는, 사용시에 파도가 일어나는 수역(body of water)에 적어도 부분적으로 위치되는 하우징 내부에서 연장되도록 배치되는 내부 채널을 포함하며, 그래서, 파도의 유입 및 유출 유동으로부터 물이 상기 덕트 안으로 들어가고 그로부터 나가는 반복된 운동의 결과로 진동 수주가 상기 덕트 내부에 형성되고, 상기 덕트 안으로 수용되는 물의 유동은 유입하는 파도에서 온 것이고, 덕트 밖으로 나가는 물의 유동은 유입 파도의 방향에 반대인 방향이며, 상기 유동 통로에 들어가고 그로부터 나가는 공기의 압력 및/또는 유동 방향의 변화는 덕트 내의 진동 수주의 진동에 반응하고 그에 의해 발생되는, 장치.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 덕트는,
    사용시에 상기 덕트가 위치되는 수역의 평균 표면 레벨(MSL)의 실질적으로 아래쪽에 잠수되도록 배치되고, 상기 수역으로부터 유입 파도를 수용하도록 배치되는 개구를 갖는 제 1 부분, 및
    상기 제 1 부분에 달려 있고, 사용시에 상기 MSL 위쪽으로 연장되도록 배치되며, 유입 파도가 상기 제 1 부분을 통해 흐른 후에 그 유입 파도로부터 물을 수용하기 위한 제 2 부분을 포함하며,
    상기 유동 통로는, 유입 파도가 상기 제 1 부분을 통해 흐른 후에 그 유입 파도로부터 수용된 물의 최대 레벨 위쪽으로 연장되는 제 2 부분의 일부 영역에 의해 규정되는, 장치.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 덕트의 제 1 및 제 2 부분은 제 1 및 제 2 부분의 중간에 있는 유동 방향 제어 세그먼트를 통해 연결되고, 그 유동 방향 제어 세그먼트는, 상기 제 1 부분과 제 2 부분의 이음부에 배치되고 그 사이에서 연장되는 평평한 경사 부분에 의해 규정되는, 장치.
21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 덕트의 제 1 및 제 2 부분은 일반적으로 기다란 도관이여, 제 1 부분은 제 2 부분의 단면적보다 큰 단면적을 갖는, 장치.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 부분의 개구에서의 단면적은 제 1 부분의 나머지보다 더 큰 단면적이며, 상기 도관의 단면적은 상기 개구에 있는 외측 진입 입구부 영역으로부터 상기 제 2 부분 쪽으로 향하는 방향으로 이동할 때 점점 감소되며, 그래서 상기 수역으로부터 상기 덕트 안으로 들어가는 유입 파도의 유동이 가속되는, 장치.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 부분의 외측 진입 입구부 영역은 사용시에 그 제 1 부분이 위치되는 수역의 MSL의 위쪽으로 연장되도록 배치되며, 그래서 상기 수역으로부터 상기 덕트 안으로 들어가는 유입 파도의 더 많은 유동을 포획하게 되는, 장치.
24. 제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징의 기부는 상기 제 1 도관(12)의 입구부 단부(개방 단부)를 향하는 방향으로 이동할 때 하향 경사 외부를 갖도록 배치되고, 하우징이 배치되는 수역의 베이스 베드에 그 하우징이 작동 가능하게 안착되도록 사용되는, 장치.

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